（机械设计及理论专业论文）设备故障规律建模与基于故障率的最佳更新期研究.pdf

rp * t * 9 t丝些一一一一一一一一 ab s t rac t t h e m a i n t e n a n c e o f p l a n t i s a n e s s e n t i a l m a n a g e m e n t p o i n t t o e n s u re t h e c o n t i n u a ll y a n d s t a b l y r u n n i n g o f t h e p r o d u c i n g p r o c e s s a n d p r o d u c i n g q u a l i t y . p r e v e n t i n g f a i l u r e a n d g e t t i n g r i d o f f a i l u re i s s u b s t a n t i a ll y t h e p r o c e s s o f b a t t l i n g a g a i n s t f a i l u r e . f a i l u r e a p p e a r a n c e i s re g a r d e d a s a r a n d o m e v e n t i n m a c ro s c o p i c s t u d y o f i t . u s i n g p r o b a b i l i ty s t a t i s t i c a n d r a n d o m p r o c e s s c a n f i n d o u t t h e r u l e o f f a i l u r e a p p e a r a n c e a n d d e v e l o p m e n t , t h e n f a i l u r e c a n b e c o n t r o ll e d a n d t h e w o r k o f m a i n t e n a n c e a n d m a n a g e m e n t o f p l a n t c a n b e w e ll o r g a n i z e d . u s i n g t h e m e t h o d o f r e li a b i li ty l i f e d i s t r i b u t i o n m o d e l i n g a n d a n a l y s i s , t h e d e n s i ty f u n c t i o n o f t h e f a i l u re t i m e d i s t ri b u t i o n i s e s t i m a t e d . t h i s p a p e r a n a l y s e s t h e w h o l e p r o c e s s o f c o ll e c t i n g p l a n t f a i l u r e , s e l e c t i n g d i s t r i b u t i o n m o d e l , e s t i m a t i n g p a r a m e t e r s , t e s t i n g g o o d n e s s o f f i t , a n d p r e d i c t i n g f a i l u r e . t h e p a p e r r e a li z e s th e s o f t w a re a n d c o m p u t e r a r i t h m e t i c , d r a w s th e c u r v e o f d e n s i t y f u n c t i o n o f t h e f a i l u r e d i s t r i b u t i o n , re li a b i li ty f u n c t i o n , a n d f a i lu re r a t e f u n c t i o n . t h e a p p li c a t i o n o f e x a m p l e o f t h e e n t e r p r i s e f a i l u r e p r o v e s t h a t t h e m e t h o d s f e a s i b i li ty a n d c o r re c t n e s s . o n t h e b a s i s o f t h e m e t h o d , p re v e n t i v e m a i n t e n a n c e c y c l e i s c a l c u l a t e d w i t h t h e d i ff e re n t a i m s u c h a s t a s k re li a b i li t y , m a x i m a l a v a i l a b i li ty a n d m i n i m a l c o s t . t h e p a p e r d i s c u s s e s f u z z y d e c i s i o n - m a k i n g m e t h o d a b o u t p re v e n t i v e m a i n t e n a n c e c y c l e f o r re n e w a l t y p e . t h e p a p e r s t u d i e s t h e p l a n t f a i l u r e n u m b e r r u l e o f r a n d o m v a r i a t io n . b a s e d o n t h e p r o b a b i li t y d i s t ri b u t i o n o f p l a n t f a i l u re i n t e r v a l , r e c u r s i o n e q u a t i o n f o r p l a n t f a il u re n u m b e r e s t i m a t e a n d i t s p r o b a b i li s t i c a n a l y s i s i s s e t u p . s o m e p ro p e rt y o f t h e v a r i a t i o n o f f a i l u re n u m b e r i s p o i n t e d o u t . r e g a r d m i n - c o s t o f p l a n t u s i n g a s o b j e c t f u n c t i o n , m i n i m a l c o s t o f p l a n t r e p l a c e m e n t p e r i o d a n d i t s v a r i a t io n fi g u re o f f a i l u r e . a ll a b o v e re s e a r c h fr u i t 二 s u c c e s s f u ll y a p p li e d i n p i n g g u o a l u m i n u m c o m p a n y s p l a n t m a i n t e n a n c e a n d m a n a g e m e n t s u b - s y s t e m o f c i m s . t h e s u c c e s s f u l a p p li c a t i o n i n t h e c o m p a n y a d e q u a t e l y p ro v e s t h e a b o v e r e s e a r c h f r u i t s f e a s i b i li ty , u s e f u l n e s s a n d b r o a d p r o s p e c t . k e y wo r d s : p l a n t , f a i l u r e , re li a b i li ty, p re v e n t i v e m a i n t e n a n c e / 中 南大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一节 文献综述与论文的 研究意义 设备是企业生产的重要物质技术基础。 实现高效、 安全、 优质的生产， 在很大程度上依 赖于设备的 先进性和可靠性， 依赖于设备管理水平。 设备管理是以 / 11, g i! 1*产经营目 标为依据， 以 设备为研究对象， 追求设备寿命周期费用最经济和设备效能最高为目 标， 应用一系列理论、 方法， 如系统工程学、 价值工程学、 设备磨损补偿理论、 设备可靠性和维修性理论、 设备状 态监测和诊断方法、 综合管理方法等， 通过一系列技术、 经济组织措施， 对设备的 物质运动 和价值运动进行从敖 浅 1 . 设计、 制造、 选型、 购里、 安装、 使用、 维护、 修理、 改造、 更新 直至 报废的 全过程的 科学管理m 维修 岁 寸 设备或产品 进行维护和修理的 简称， 是为了 保持和 恢复 设备良 好工作状态而进 行的活动。 随着生产的发展， 人们对维修的 认识也在不断地深化。 最早认为， 维修是为了排 除 设备故障 及预防故障的 发生; 后来认为， 维修是设备使用的 前提和安全的 保障， 因为如 果 设备发生故障， 生产将被迫停止，服务中 断， 甚至会危及人身和设备安全， 导致严重后果。 随着自 动化程度的不断提高， 生产对维修的 依赖性也不断增大。 维修能提高设备的可用率和 完好率， 延长设备的 使用寿命， 从而增加产品数量、 提高产品质量; 维修是投资的一种选择 方式， 也是企业售后服务的一种手段。 设备的 正常运转，离不开维修，即使是高度现代化的机器人和航天飞机也离不开维修。 为了 预防 设备故障的 发生， 也需要进行维修。 但在维修过程中， 常常出现不是维修“ 不足” 就是 维修“ 过剩” 的 情况， 怎样维修才算正确， 怎样维 修才能 有效地预防故障， 是企业设备 工 作 者和 有 关专 业 人员 所关 注和 研 究的 重 点问 题m 我们 来看一组相关资料13 一 叭 5 0 年代末， 美国 航空公司的 维修费用占 使用费用的3 0 %， 美国 空军有3 0 %的人力和将 近 三分之 一的 经费用于 维修， 维修费 用超 过了 购置费 用， 形成了“ 买得起， 用不起” 的 现象。 1 9 6 5 至1 9 6 8 年7 月， 美国 联邦航空局与联合航空公司 双方的 代表组成 一个维修指导小 组m s g ( m a i n t e n a n c e s te e r in g g ro u p ) ， 在 进 行“ 涡 轮 喷 气 发动 机 可 靠性 大 纲” 实验的 基 础 上， 提出“ m s g -1 手册: 维修的鉴定与大纲的制订 ， ， 并用于制订波音7 4 7 飞机预防性维 修大纲， 对该型飞机每飞行两万小时所做的结构大检查只需6 . 6 万工时， 而按传统方法， 对 于一架小得多的不怎么复杂的】 d c -8 飞机， 进行相同的 结构检查需要4 0 ( 】 万工时， 相差6 0 倍。 1 9 7 0 年3 月， “ 航空 公司 制造公司的 维修大纲 制订书 一 一 - m s g - 2 ， 用于 制订洛克 希 德l -1 0 1 1 和道格拉斯 x一1 0 飞机的 初始维修大纲， 结果很成功。1 9 7 2 年将 “ ms g -2 应用于 海军的p - 3 飞 机和s - 3 a飞机， 结果使p - 3 飞机拆修工 时省掉5 0 % ， 拆修间隔 期 从3 年延长到5 年， 检查项目由 于改为状态监控维修而取消了5 5 %， 还有2 0 %的项目 减小 了 维修频率， 从而使飞 机飞 行准备时 间缩短了4 0 %， 维修停用时间 减少了7 9 . 1 % ，而 维修 质量有了明显的提高。 1 9 7 8 年， 美国联合航空公司的 诺兰等受国防部的委托发表了 以可靠性为中心的维修 专 著， 从 此 人 们 把 制 订 预 防 性 维 修 大 纲 的 逻 辑 决 策 分 析 方 法 通 称 为r c m ( r e li a b i li t y - c e n t e r e d ma i山 n n a n r w ) , 一生夔壁巫些世些兰一一一一一一 8 0 年 代后， 结合r c m的 优点， 先后出现了1 9 8 0 年的“ m s g - 3 , 1 9 8 8 年的“ m s g - 3 修改1 , 1 9 9 3 年的 ms g - 3 修改2 . 1 9 8 4 年美国国防部发布指令d o d d 4 1 5 1 .6 国 防设备维修大纲 ， 标志着以可靠性为中 心的维修理论在美国三军的广泛应用。 1 9 9 0 年9 月英国 阿兰德公司莫布雷在r c m和 m s g - 3 修改1 ” 的 基础上， 结 合民 用 设备的 实际 情况， 提出了r c m ii ， 到1 9 9 7 年底已 在 许多国 家底钢铁、电 力、 铁路、 汽 车、 地铁、 海洋、 石油、 核工业、 建筑、 供水、 食品、 造纸、 卷烟 及药品 等行业广泛应用。 1 9 7 9年， 我国民 航和 空军 首先引 进了以 可 靠性为中 心的 维修理论， 并 取得了 较好的 效 果。 随后， 海军、 陆军和各工业部门 也逐渐开展研究和应用。 例如某型坦克发动机应用以 可 靠性为中 心的 维修理论， 使寿 命延长了4 0 %. 1 9 8 7 年， 我国 在国 产民 用运输机上全面开展r c m研究， 取得了 成功;1 9 8 9 年5 月， 原航空航天工业部分布了 航空工业标准e b 6 2 1 1 - 8 9 飞机、 发动机及设备以 可靠性为中 心的 维修大纲的 制订 ， 并运用于轰炸 机和教 练机维修大纲的 制订。 1 9 9 2 年总后勤 部、 国 防 科工 委发布了国 家军用标准g j b 1 3 7 8 装备预防性维修大纲的 制订要求与方法 ， 并于1 9 9 4 年3 月 颁布了 该 标准的 实施指南 ， 用 标准的 形式对r c m加以 规范 化， 并用以 指导各 类武器 装备维修大纲的制订。 由 上述 资料可见， 从6 0 年 代美国民 航界 首先创立以 可 靠性为中 心的 维 修理 论以 来， 经 历了怀疑、 试验、肯定、 推广和制订标准的过程， 近4 0 年来在指导维修实践的过程中， 该 理论不断地得到发展和完善，目 前， r c m的国际标准正在拟制之中。以可靠性为中 心的 维 修理论已 成为指导机械、 机电、电 器和电 子等各 类设备维 修的 共性基础理论。 维修理论是研究设备维修的 本质和规律的理论， 包括维修设计理论、 维修技术理论和维 修管理理论。 该 理论是建立在概率统计、 可靠性工程、 维修 性工程、 断裂力学、 模糊 数学、 故障 物理、 故障诊断理 论和现代管理理 论等现代科学基础上的 一门 综合性工程技术应用理 论， 维 修理论用于指导设备寿 命的 维修优 化 以 获得最佳维修效果， 保证设备使用的可靠性、 安全 性和有效性。 维修理论的 核心内容 是以 可靠性为中 心的 维修。 这种理论 认为， 一切维修活动， 归根到 底都 是为了 保持、 恢复设备的 可 靠性。 根据设备 及其机件的 可 靠性状况， 运用逻 辑决策分析 方 法来制订设备的 维修大 纲， 确 定所 需的 维修内 容和 合理的 维修类型、 适当的 维 修间隔 期和 维修级别等， 从而 达到优化维修的目 的。 在 这种理 论指导下 进行设备维修， 既能提高 质量 和 可用 率， 保证使用 安全， 又能节约费用。 维修理论不 仅适用于 军事装备， 也同 样适用于民 用 设备， 在3 0 多年的 实践中 不断地得到 发展和 完善，已 在世界许多国 家广泛应用。 设备故障的发生时间、 发生强度与频度及其对设备功能与费用的影响， 是维修理论研究 的 模型基础， 设备 故障 规律的 掌握和 研究是现代设备 管理理论和 实践的 核心和 设备维修性 设 计的 基础， 论文以r c m 以可靠性为中 心的维修理论为指导， 通过企业现场实践， 对设 备 故障 规律进行统计 建模分析， 找出 故障 发生和 发展的 规律， 从而 实现 对故障 宏观控制， 对 指导设备维修工作有着重要的理论意义和实践意义。 第二节 设备故津 过程和故障 率曲 线概述 预防 故障和排除故障的 维修工作过程， 实质上是与 故障作斗 争的过程。 故障的 研究可 分为故障微观研究和故障宏观研究两种。 故障微观研究是从微观上研究故障机理， 即研究引 起故障的物理、 化学和生物等变化的内 在原因及其发生和发展的 规律， 进行工程定量分析， 并由 此提出 预防 和 排除故障的 措施。 故障 微观研究 属于 故障 物理学研究的 范畴。 故障宏 砚研 究是把故降的出 现看作是一个随机事件， 采用概率统计和随机过程等数学方法进行统计分 一 一一 一 一ql 4 0 c * a t * il i8 )z 析， 找出 故 障 发 生和 发 展的 规 律， 从而 实 现 对 故障 宏 观 控 制u 。 本 论文内 容只限 于 宏 观 研 究。 下面介绍故障发生的过程和几种故障率曲 线。 一、故障和故障棋式 设备或设备的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态， 称之为功能故障， 简 称为故障。 对某些产品， 如电子元器件、 弹药等的功能故障则称之为失效。 故障是与设备的 功能 或性能联系 在一 起的， 保 有明 确各种 设备的 功能或性能的 标准， 才能准确的判定 故障。 故障的 表现形式称为故障模式， 如: 短路、 开路、 断裂等。 故障模式相当于医 学上的 “ 病症” 。 维修不仅是针对故障， 而且是针 对故障的 每个故障 模式而言的。 我们是在故障水平上 来控制维修工作的。 一种故障 模式可能由 一种以 上的原因 引起。 例如: 材料“ 断裂” 这种故 障 模式并不是故障原因， 而是一种表现结果， 它可能是因 受冲 击而断裂， 也可能是因长时间 磨损或 腐蚀而断 裂， 原因 虽然不同， 但作为故障 模式的 表现结果却是相同的。 通常引 起设备 的 某种故障原因 也就是该设备的 较低层次构成部分的 故障模式。 二、故障过程 设备发生故障的 原因是由 于作用在设备上的 外加负荷所产生的 应力超过设备本身 所能 承受的能力。 因为外加负荷所产生的应力受使用条件、 大气环境、 湿度、 负荷峰值以 及人员 操 作等外界因 素 或这此因 素的 某种综合作用的 影响; 设备本身所能承 受奕 力的能 力受设备的 物理特性、 化学特性、 材料结构强度、 设备的 几何尺寸和 外形， 以 及加工质量等因素的 影响， 二 者均是随 机事件， 或用随机变量来表示， 服 从某种概率分布。 以 随机变量x表示的 外加负荷 所产生 应力。 它可以 是机械 应力、电 应力、 热应力等。 如 外加重复循 环负荷 产生的 机械应 力， 电 压或电 流变 化产 生的电 应力， 温 度变化产生的 热 应 力等。以 随 机变量 y表示的 设备本身所能承受外加负荷的 能 力， 即 设备抗故 障的能 力， 称 为 抗力， 如抗 拉强度、 抗压强度、 硬度、 燃点和结合力等。 当y 时， 即 应力大于 抗力时， 故障 就会发生。 例如引 起传动 轴断 裂的 故障可能是由 于 外加的机械奕力 ( 扭矩) 超过抗力 ( 抗扭强度) ， 集成电 路的故障可能是由于外加电 压超 过规定 值使电 应力超 过了 抗力( 局部温度上升超过其 熔点) 。 设随机变 量x和y的 故障密 度 函 数分别为f ( x ) 和f ( y ) , 假定都服从正态分布，如图1 一1 所示。 v ),h i.y 1 图1 一1 故障分布密度随 时间的变化图 在时刻t : 有一安全裕量5 ， 这时 不会发生故障。 时刻t 2 的 抗力均值虽然 仍大于 应力均 值， 但由 于 其 均 值 较时刻t 1 的 小， 散布 宽度 也 扩 大， f ( x ) 和f ( y ) 和分 布曲 线有 重叠的 地 方， 因此有出现故障的 可能性。 时刻t 3 的 两条分布曲线重盈区 域扩大， 因 此出现故障的 概率也增 由 -a ) : * wa f * f 鱼生一一一一一一一一 大了。 图中 是假 定随机变 量x不随 时间 变化的情 况， 实际 上它也是变 化的。 x , y都 是t 的 m 数， 可用随 机过程x ( t ) , y ( t ) 来描 述。 尺代t与 闷倒勺写 只理.只招 eklicl 图1 - 2简 单设备的 随机故障 示意图 抗力并不一定随时间 而退化， 如图1 - 2 所示， 其中 图1 - 2 ( a ) 表示抗力恒定不变的 情况， 但一个突然的 负 荷峰值会引 起故障 发生。 设备负荷的突 然增大， 往往是由 于 使用维修 人员的 人为差错造成的， 例如启动机器过猛， 机器正运转时又突然使之反转: 也可以由外界因素引 起， 如闪电、 地震等。 图1 - 2 山 ) 中， 负 荷峰值使抗力永久地降低， 但 实际 上不一定会造成设 备故障， 例如 地 展使建筑物 产生裂缝但尚 未坍塌。 抗力的 降低容易 使设备受到下一个峰 值的冲 击而被破坏。 在维修之前， 此峰值可能出现，也可能不出 现。 图1 - 2 ( c ) 中 负 荷 峰 值只 暂时 减弱 抗力， 如 热 塑 材 料 在 温度 升 时 变软， 温度 降 低 后又 恢 复原来的硬度。 图1 - 2 ( d ) 示的 情况为负 荷峰值加速了 抗力的 下降， 从而导 致了 设备寿命的 缩短。 如 果设备在安装时受损 ( 如滚珠轴承安装超差) ， 常常出现图1 - 2 ( d ) 所示的 情况， 但此时仍然 很难预测设备的寿命为多少， 故障可能在负荷峰值数月甚至数年后才发生。 上述四 种情况的分析表明，设备投人使用后不可能预测某一故障何时发生，因此故障 的 发生具有 随机 性。 虽然如 此， 但它却具有一定的 统计规律， 可以 采用统计分析的 方法找出 故障 率曲 线， 并 从宏观上有针对性地进行 控制。 三、 故障 率浴盆曲 线 研究故障 宏观统计规律主要是研究故障率随时间 变化的 规律。 在一段时间内， 曾 认为 具有代表性的浴盆曲线的 规律。 1 、 浴盆曲 线 经典故障率曲 线 使用经验及试验结果表明， 有些设备的故障率与时间变化的 关系如图1 - 3 所示， 它的 故障 是两头 高、中 间低，图 形有些像浴盆， 故称为 浴盆曲 线， 是一种经典故障率曲 线。 由 图1 - 3 可以 看出， 设备的 故障 率随时间的 变 化可划 分为 三个阶 段: 早期故障 期、 偶 然故障期和耗损故障期。 ( 1 ) 早期故障期 早期故障 期出 现在设备 使用的 早期， 其特点 是故障 率较高， 且故障 率随时间的增加而 迅速下降。 早 期故障 通常是由 于 设计、 制造上的 缺陷 等原因 引 起的。 例如使用材料不合格， 装配不当， 焊接不良， 质量检验不认真等造成的。 ( 2 ) 偶然故障期 中南大学硕士学位论文 在早期故障 期之 后是的 设备的 有用寿 命期， 称之为 偶然故障 期。 其特点是故障 率低且 稳 定， 近似为常 数。 偶然 故障是由 偶然因素引 起的， 如应力突然超过极限 值、 工艺缺陷、 材 料 弱点、 维护不良 、 操作错误及环境因素 等所造成的。 ( 3 ) 耗损故障期 耗损故障 期出 现在设备的 有用寿 命期的 末期， 其重点是故障率随时间的 增加而加大。 耗损故障是由于设备内 部的物理变化、 化学变化或生物变化所引起的磨损、 疲劳、 腐蚀、 老 化、 耗损、 阻抗 增大、阴 极电 子放射 减弱、 介电 常 数波动等原因 所造成的 19 1- 11 1 气 州 m o m(19 !t101 i 日* fl6t-u r i* ! 一 - jweee-es 1m ma lg) cr:mim i u 图1 - 3故障率浴盆曲线 2 、 浴盆曲线故障率的 数学模型 浴盆曲 线中 故障率在三个时期的 变化情况， 很难再用某一函 数，比 如指数分布函 数、 正 态分布函 数完 整地表达出 来。 但如果 针对不同 时期的主要因 素来选择适当的函 数， 还是能 近似的 表达的。 这里总的 故障率为: i (t ) = .1 , (r ) + ,i - (r ) + , (t ) 式 中 : .i , (t ) 一 早 期 故 障 率 ; (t y 一 一 偶 然 故 障 率 ; a3 (t ) 一- 耗 损 故 障 率 。 这三种故障 率的 综合结 果如图1 - 4 所示。由 图中 可 看出， 三种 类型的故 障都可能 在三 个时 期内 发生。 在 偶然故障 期， 早期故障 率和 耗损故障率相对于 偶然故障率来说是比 较小的。 因 此， 在偶然故障 期， 就常常 用偶然 故障 率来近似 地表示这 一时 期的 总故障 率。 然而在耗损 故障 率期， 偶然故障 率和 耗损故障 率对总故障 率都 有较大的 实际意义， 所以 在计算时都要考 虑。 在早期故障期， 则主要考虑早期故降率和偶然故障率。 v-9a m m l 份鲤 段报一 故娜侧 砍玲 翎 人0) 成 , i t i 图1 - 4故障率曲 线的 数学模型 ( 1 ) 早期故障期的故障 对策 由 于 存在不合格的 零件、 装配不当的 机件、 焊接不良 的 连接 处等. 在设备使用的 早期 一一一一一一一一一一一+ * t * 0 t * t 显示出 高故障率。 为此， 通常在设备投人使用之前， 即在工厂进行磨合或老炼的过程中， 使 其在更为 严峻的 条件下运转， 把易于 发生的 故障 暴露出 来， 并加以 排除， 以 保 证设备工 作的 可靠性。 在早期故障期内， 故障率是递减的， 即 从高到低， 尔后渐渐趋于稳定， 进人偶然故 障期。 对于早期故障，只能在发现故障后立即采取排除措施， 不适于采取定时更换的事前预 防 对策。 因为 在早期故障 率高的 情况下， 如果企图以 新品 更换在用品， 就等于用故障率高的 机件更换故障 率低的机件。 不仅不能降 低总的 故障率， 反而产生相反的 效果。 ( 2 ) 偶然故障期的 数学 模型 在偶然故障期内， 总故障 率用偶然故障 率来代替， 故障率近似为常数， 故障时间 服从 指数分布， 其故障密度函 数和可靠度分别为 f s (t ) = a z e 一 z t ， r , (t ) = e - a 实际 应用中， 人们常常 关心在某段执行任务时间的 可靠度， 称为任务可靠度。 它是指 设 备 已 经 工 作 了 t 小 时 以 后 ， 砒续 工 作 一 段 时 间 l t 的 可 靠 度 ， 记 为 r (t 十 t lt ) 设 觑 变量t 表示设备从开始工作到发生故障的 连续工作时间， t 表示某一段指定的工作时间， a t 表示执行任务的时间， 则有 r (t + e tlt ) 二 ， (t t + o tit ， ) - p (t t + e t ) n (t ， ) _ p (t t + a t ) p (t t )p (t t ) 上 式 表明， 任务可靠度与任务开始 前设备已 工作的 时间t 无关， 只与任务时间 t 和偶 然故 障 率人有 关。 用同 一 型 号 的 工 作 时 间 短 的 新 设 备 来 代 替 工 作 时 间 长的 旧 设 备， 并 不能 增 加 任务可 靠性。 偶 然故障 不能 用定时更 换的 办法来预防。 故障 率 本来是常数， 即 使更换了， 故 障 率 也不发生 变化， 定时更换修理， 甚至 会引起附加的 早期故障， 增加人为差 错的故障。 ( 3 ) 耗损故障率的 数学模型 在这一时期内， 设备的 故障率开始随着时间的 增加而迅速增大， 表现出 故障集中出 现的 趋势。 如 果在 进人耗损故障期之前定时更换， 故障 率递增的 趋势是可以 控制的。 为了 确 定定 时 更换的时机， 需要建立相应的 数学模型。 如 前 所 述 ， 在 耗 损 故 障 期 的 总 故 障 率 a ,(t ) 中 需 要 考 虑 偶 然 故 障 和 耗 损 故 障 的 影 响 ， 即 a ,(t ) = a h) + a , ( t ) ， 由 于 r (t ) = e 6 x () b型也有明显的 耗损期。 符合 这两种型 式的 是各种零件或简 单产品 的故障， 如轮胎、 刹车片、 活塞式发动机的 气缸、 涡轮喷气发动机的压气机叶片和飞机的结构元件的故障。 它们通常具有机械磨损、 材料老化、 金属 疲劳等 特点。 c 型没有明 确的 耗损期， 但是故障 率也是随 着使用时间的 增加而 增加的， 涡轮喷气发动机的故障 率曲 线属于 这一种型 式。以 上三种型式故降 率的 设备 共占 1 1 % ， 而 8 9 % 的 设备则没有损耗期 ( d , e , f 型) 。 有一半以 上的 航空设备显示出 有早期故障期， 即 刚 安装以 后的 故障率往往 相当 高， 随 后趋向 平稳， 如图中的a , f 型。 只 有1 1 % 的 设备可以 考虑 规定使用寿 命或 拆修间隔 期， 而8 9 % 的 设备则没有必要 这样规定。以 上6 种基本型 式 的 故障曲 线， 不仅 适用于 航空 设备， 也 适用于 其它设备。 上 述6 种型 式故障率曲 线中， a型 式故障率的 表达式在前面 浴盆曲 线的数学 模型中已 介 绍过了， b , e 型式也作过相应的 介绍。 可以 用威布尔分布的 故障 率公式来描 述之: to 尺度 参数;丫位里参数， 在此丫 = 0 o m形状参数。当 .日.日 . 由 吏 壑鲤生塾塑主一一一一一一一一 m 2 时，为s型式的故障率; m = 2 时， 为c 型式的 故障率; 1 m 2 时， 为d型 式的 故障 率; m = 1 时， 为e 型 式的 故 障 率。 翻is 翻 甲们 ， 图1 - 6 威 布 尔 分 布 形 状 参 数m 与 故 障 率x ( t ) 的 关 系 图 威 布 尔 分 布 形 状 参 数m 与 故 障 率.1 (t ) 的 变 化 关 系 如 图1 - 6 所 示 。 可 以 通 过 假 设 检 验 和 统 计 分 析 求 得 参 数m 与 t 。 的 值 ， 从 而 得 到 a (t ) 的 具 体 表 达 式 。 第三节 设备的 针对性维修策略 一、 针对性维修策略的愈义及特点 针 对 性 维 修 策 略 是 按 设 备 综 合 管 理 原 则 和以 可 靠 性 为 中 心 的 维 修 思 想 9 ii 1 0 1 ， 采 用 设 备 管 理工程学及运筹学的有关理论、 方法， 以确保系统综合维修管理费用最经济、 综合效益最高 为 原则， 根据设备的 形式、 性能、 使用条件等， 对整 个维修管理对象按设备、 总 成予以 分 类， 分别 实施不同的 维修方式， 即 事后维修、 时间 计划 维修和 状态监测 维修。 对于 定时计划维修 设备或总成， 应求解其合理 维修周期。 而对于 状态 监测维修设备或总成， 则通过 监测其工 况 状态， 识别现有的或即 将出 现的间题， 并预计故障修理的时机， 以 减少设备系统的损坏， 保 证其运行可 靠性， 提 高其有 效利用率， 降 低维修费 用。 无论是设 备分类、 合理维修周 期求解 或预测、 决策分析处理， 都将涉及大量复杂的 静态和动态信息， 要想从中 获 取对实 施维修有 指导意义的 结论， 仍采用老 式的 经验判断是不 够的， 必须利用现 代的 信息分析、 处理 及推 理 方法， 广泛收集该领域专家的经验、 知识， 建立相应的知识库、 数据库、 模型库、 推理机等， 借助计算机完成复杂机械系统维修的综合决策， 实现对这一系统具有真正价值的维修指导。 该策略已在一些设备维修管理系统中得到应用， 效果良 好。 针 对 性 维 修的 理 论 基 础 是 可 靠性 理 论。 可 靠 性 理 论表明 2 1(6 1 ， 定 期维 修只 适 用于 确 有 耗 损故障的 零部 件， 对于偶 然故障 是无效的; 而 大多 数复杂 设备的 故障是偶 然性的， 因 此对 复 杂 设备来说， 仅仅采 用定期维修是不适用的。 在可 靠性理论看来， 维修的主 要任务就 是通 过 对 影响可 靠性的 各种因 素的 控制， 保证设备的 可靠 性保持在 一定水平上， 这种控制是通过 一 系 列具体维修措施， 特别是日 常维护保养工作来实现的。 维修管理工作的关键是做什么潍 修内 容) 和什么时候做( 维修时机) ， 由 此产生不同的 维修方式。 所谓维修方式是指为了 保证 维 修对象在使用中 其可靠性达到一定水平， 而对维修工作的时机和 类型加以 控制的不同形式和 中 南大学硕士学位论文 方 法 的 统 称 。 这 里 指 出 的 对 于 维 修 对 象 可 靠 性 的 控 制 ， 需 从 两 方 面 进 行 ， 即 一 方 面 控 制 故 障 发 生 的 规 律 性 ， 从 而 确 定 维 修 的 时 机 ， 另 一 方 面 是 控 制 故 障 的 后 果 ， 从 而 确 定 维 修 内 容 (包 括范围 与深度 ) 。 这一制度的 特点是: 1 )强 调 重 点 设备 及 其 重 点 部 位的 维 修 管 理 ; 2 )根 据 设 备 不 同 状 态 ， 针 对 性 地 采 取 不 同 的 维 修 形 式 ， 以 获 取 最 佳 经 济 效 果 ; 3 )强 调以 可 靠性为中 心的 维 修思 想; 4 )强调日 常 保养的 重 要性; 5 )强调 计 算机 及现 代 监测 技 术在 维 修 实 践中 的 应 用; 6 )强 调 管 理 信 息 的 处 理 与 反 馈 ， 实 行 动 态 管 理 ， 对 维 修 方 式 和 维 修 类 型 进 行 科 学 决 策 ， 保证维修制度的最佳化。 二、针对性维修策略的理论依据 随 着 科学 技 术的 发 展， 为了 适 应 设备 高 度复 杂 化 和 设 备可 靠性 提高 带 来的 对传统 维 修的 挑战， 人 们革 新了 传统 观 念， 建立了 现 代的 维 修 思 想， 即 以 可 靠性为中 心的 维 修思 想。 在试验、 探索和引 用可靠性理论的 基础上， 人们得出了 新的 认识， 归纳起来主要有下面 几点: 1 、 理论表明， 定期维修只适用于 确有 耗损 性故障的 零部件， 而 对于偶然故障是无效的。 即 使对于确有耗损性故障的 零部件， 它 们还应是到达耗损期前无故障的存活概率足够大才 行。 因 为， 对 可靠性差的 项目 ， 由 于 早期故障和 偶然故障而被更换掉， 只有一部分生存到耗 损期。 对这 样的 零部件， 到一定寿 命时 进行维修， 只能防止小部分 进人耗损 期， 对其总 体的 可靠性控制作用不大。 2 、 对于复杂产品， 如部件、 设备或系统， 除了有少数是耗损性故障占 绝对优势的 情况 外， 故障 率变 化的浴盆曲 线是不适用的， 事实上浴 盆曲 线有非浴盆化的 趋向， 即 故障率曲 线 的多态化， 如图1 -5 所示。 a是典型的浴盆曲线， 它具有早期故障期， 且故障率较高， 如果对产品结构、 材料、 工 艺进行可靠性设计与试验， 并且具有健全的 质量控制制度， 那么可以肯定地说， 服从这一规 律的 产品或零部件不会超过4 %，而且它们都是结构、 工艺等尚 不成熟的产品或零部件: 从b到f 都属于非浴盆化的故障率: b没有早期故障期， 且有效寿命的故障率为常数或略有增长， 属于这种情况的产品或零 部件的结构、 工艺都是成熟的、系列化的、 或者是经厂商认真筛选过的; c没有明 显的 早期故障期和耗损故障 期， 且其故障率是持续增长的， 这是典型的磨损特 征， 应用摩擦学的最新成果是降低其故障的最佳途径; d有故障率是阶梯式的 跳跃增长， 这是由于不良 维修或不良 的操作引起的。 不良的维修 常常将高故障机制引人稳定系统中，即 通常所说的 “ 越修越坏” ，因此， 对于稳定系统不应 随意解体， 不良的操作经常表现为违章操作和超负荷。 在这种情况下， 受损设备或其零部件 再也不会复原了， 在每一次 “ 受损”之后， 其故障率总是跳跃式的增长; e 完全没有早期故障期和耗损故障期， 其故障率呈现为常数， 其故障是随机的， 而且与 运行时间无关， 这是典型的非浴盆化曲线。 这就完全打破了故降率随时间增长这一传统观念. 产品限 备) 76 复杂， 机电一体化程度愈高就愈趋向 这种情况; f 没有耗损故障期， 经过早期故障期之后， 故障率就表现为常数， 电子工业的经验早就 揭示了 这种规律。 厂商的 早期可靠性试验、 筛选和健全的 质量管理制度可以 淘汰那些高故障 率的 零件和元件， 然后， 幸存的零件和元件就呈现出 恒定的 故障率， 这也是一种随机故降: 综上所述， 可见复杂产品通常没有耗损故障期， 所以对于它们， 完全采用定时维修方式 是不适合的， 对保证其可靠性是无效的。 其原因就在于复杂产品由 许多零件组成， 在使用中 究竟哪一零件何时会发生故障是偶然的， 零件的教目 越多， 偶然性梦精强， 也就是说整个系 - 一一一些壑望醚登望丝一一一 统 寿 命t 的 概 率 密 度函 数f ( t ) 服 从 指 数 分 布， 即 : .f (r ) = a. - k ,( r ? 0 ) ， 因 为 r (r)一 f f (r)d r = f 一 一“ 以 (r)一 貂 = 可 见其 为常 数。 只 要将故障的 零件及时予以 换 修， 那么产品 整 体的 可靠性总量度 故 障率， 对于时间 来说是基本不变的， 即 故障率与工作时间 无关。 这一点也为许多实例所证实。 一些 设备的 故障 率统计数值表明 与修理周期无 关， 只 要采取针对性修理， 即 使延长修理周期， 设备的故障率也没有增加。 3 、 复杂产品的故障是偶然性的，因而是不可避免的。 设计上的对策不是绝对避免故障 发生， 而是预防故障危害安全及影响生产。 显然， 在设计时要做到复杂产品能长期地保持无 故障 运行， 在 经济上和 技术上都是不 行的。 虽然某 些零部件的 可靠性已 得到显著改善， 但应 考虑到整机的 零部件的 数量也成倍地增加了， 因此故障是不可避免的。 我们所关0 的主 要不 是故障的数量， 而是某个故障对设备整体所产生的 后果， 在设计中 可以采用许多办法减轻故 障的 后果， 如 冗余设计隋储备的 系统) 、 容错设计、 故障防 护 装置等措施来避免发生危害 安 全的故障。 此外， 设法鉴定潜在故障、 包括配t各种仪表以 便对即将发生的故障发出 替告， 预防出现功能性故障。 以 上这些认识， 对子维修理论的发展有着重要意义， 揭示了 传统观念 中的 不科学部分， 为状态维 修郎情维 修) 方式 等提 供了 理论依据。 三、 针对性维修策略的主要内容与实践 针对性维修策略 包括: 通过对设备进 行分析， 分类实行不同 维修方式， 以日 常维护、 定 期维护为基础， 建立一套包括事 后维修、 时间 计划 维修、 状态监测维修在内的 现代维修管理 体制， 一 针对性维修体制， 加强故障诊断和状态监测技术的 应用， 实现计算机辅助动态管理， 图1 - 7 所示为该策略的 总体框图。 图1 -7针对性维修策略的总体框图 目 前以 点检为基础的 设备针对性维修制度已在我国 大中型企业得到应用， 该制度是在多 一一一一一一一一一一二丝塑竺进望 次试行中发展起来的， 其基本做法是: 1 )完善维修管理组 织机构， 明 确各 部门 职责， 加强 监督; 2 )进行设备维修方式划分， 开展针对性的 维修管理; 3 )完善各种标准和 规定， 加强日 常维护和 检查， 实 施定检和精检; 4 )通过对维修力量等因素的调控， 加强维修工作的计划性， 制定适时的维修计划. 第四节 对本论文研究的说明 广西平果铝业公司是一个采、 选、 冶一条龙生产的现代化的大型企业。 它是我国有色金 属行业系 统中 引 进国 外先进的 矿山 开采设备和 冶炼设备较多的 企业。 平果铝 业公司的 设备品 种多、 数量大， 且很多设备在其生产流程中 起着关键作用， 因此， 设备管理的 是否安全运行 对平果铝业公司的生产有着至关重要的影响。 为减少设备的非计划性维修、降低设备突发故障率、提高设备的可靠性和有效利用度， 平果铝业公司与中 南大学机电 工程学院 设 备工 程及管理研究所 在设备故障数 据的 收集、 计算 机存储与管理、 统计建模与故障分 析、 故障预测 预报等一系列 关键技 术做了 一 定的 研究和 实 践， 并研制开发了计算机辅助故障统计建模与分析程序和设备维修信息管理及决策支持系 统， 并将之挂 接于平果铝 业公司 计算机集成制造系统 ( p g l - c i m s ) 机动能源管理子 系统 ( 该项目 已通过国 家8 6 3 计划追加项目 评审) e 本文就是在以 上研究的 基础 上完成的， 本文的 作者是中 南大学课题组的 成员之一， 通过 理 论分析和现 场实践 完成了 主要的 研究和 开发工作， 该研究成果已 经在平果铝 业公司 投 人应 用， 并取得了良 好的 效果， 表明 该研究成果有很好的 应用价值和 应用前景。 + -a t鲤生塾